Обоснование параметров процесса получения белково-минеральной добавки и линии для ее производства

Однако наличие в нативной сое антипитательных веществ, таких как ингибитор трипсина, уреаза и т.д., не позволяет применять ее в неподготовленном виде.

Учеными и практиками разработан ряд способов, позволяющих снизить уреазную активность сои и продуктов ее переработки. При этом реализация таких способов затруднительна из-за отсутствия специального технологического оборудования и технических средств.

Так, в настоящее время отсутствуют технологии и технические средства, позволяющие получить формованный продукт в виде гранул из влажной белковой массы для молодняка сельскохозяйственной птицы.

В связи с изложенным исследования, направленные на разработку технических средств для получения белкового гранулята для птицы, являются актуальными.

Цель исследования. Обоснование параметров процесса получения белково-минеральной кормовой добавки и линии для ее получения.

Задачи исследования:

• –    теоретически обосновать параметры смесителя-гранулятора;

• –    на основе данного обоснования предложить конструкцию смесителя-гранулятора;

• –    получить математические модели процесса и научно обосновать оптимальные параметры смесителя-гранулятора;

• –    разработать схему линии для производства белково-минеральной добавки и определить ее техникоэкономическую эффективность.

Материалы и методы исследования. В основу рабочего процесса получения гранул влажного прессования положен принцип колебательного воздействия на двухкомпонентную влажную высокобелковую смесь с последующим ее транспортированием и продавливанием через отверстия формующей матрицы. Колебательные воздействия на смешиваемую массу обеспечиваются шнековым рабочим органом, ось вращения которого не совпадает с его продольной осью, а смещена на величину эксцентриситета е (рис. 1) [1]. Из рисунка 1 следуют зависимости:

e = l ⋅ tg α ;

l = h ⋅ cos α ;

e = h ⋅ sin α

= ^l ctg α ^,

где l – длина корпуса шнека, м; h – длина винтовой поверхности шнека, м.

Для обычного горизонтального шнекового смесителя производительность определяется по известной формуле, кг/с

Q = 0,25 ^ ( D ² - d ²) v p3,

где D – наружный диаметр шнека, м; d – внутренний диаметр шнека, м; v – осевая скорость движения продукта, м/с; ρ – плотность кормовой смеси, кг/м³; δ – коэффициент наполнения шнека.

Анализ показывает, что в отличие от обычного горизонтального смесителя коэффициент наполнения δ рассматриваемого нами винтового шнекового смесителя является переменной величиной в течение периода Т установившегося режима работы, определяемого зависимостью T = 2 πω .

Проведя мысленное поперечное сечение шнека на расстоянии Z от начала оси оZ (рис.2), получаем e(Z)   l - Zl зависимость:        =        или e(Z)=       e .(4)

ell

Для поперечного сечения шнека в момент времени t, когда вектор е ( Z ) (или вектор е ) находится под углом γ = ω t к оси х (рис. 3), определим коэффициент наполнения δ (γ) при заданной величине γ и уровне массы Н.

Выделим отрезок Δ (γ) , определяющий глубину погружения нижней кромки винтовой поверхности шнека в белковую массу.

Рассмотрим сегмент В С В С В высотой С С = Δ (γ) и радиусом R 2 . Высота Δ (γ) сегмента при заданных значениях Н , γ и R 2 , согласно рисунку 3, равна, м

Δ (γ) = R 2 + (е ∙ sin γ) – Н.

При этом угол β ( угол В О С ) определяется по зависимости

R 2 - Δ ( γ ) β = arccos

.

Площадь сегмента В С В С В определяет активную площадь поперечного сечения шнека, воздействующую на белковую массу, а поэтому необходимо найти эту площадь.

Рис. 3. Схема к определению коэффициента наполнения шнека

Площадь сегмента B C B C B равна разности площадей сектора О В 1 С В О и треугольника ВОВС В .

Площадь сектора О ₁ В 1 С ₁ В О ₁ равна

So.B1C1B2О = в • R2.(7)

Площадь треугольника В О В С В определяется как

Sbobc, = (R2 -A

Тогда площадь сегмента B C B C B найдем как

SBCBCB = (arccosH esin Y)R2 + (H ~ esin Y)7R22 - (H - esin Y) .(9)

R₂

В равенстве (9) первое слагаемое примем равным А, а второе – В.

В конечном итоге получим формулу для определения коэффициента наполнения шнека смесителя в следующем виде:

0(ot) =

А + В п(R₂²- Ri²)'

С учетом выражения (10) формула для определения производительности шнекового смесителя со смещенной осью вращения шнека имеет вид

Q(at) = п(R2 - R2) • vp- О(/ot) = vp(А + B).              (11)

Из рисунка 3 следует, что δ (ωt) изменяется в пределах от max значения до min. При этом: max δ (ωt)

п при Y = ot = — + к • 2п, где к = 0, 1,2, .;

min 5(wt) Y = at = 3п + к• 2п, где к = 0, 1,2, 3,

Тогда средний коэффициент наполнения шнека определится как

О (at) =----- ср        п( R22

-

Т

—f ( А + В) dt R^ т Г      .

Производительность смесителя за период Т установившегося режима работы

^QCM = -vp^(arccos

.H e •^sm(ot))R₂² + (H - e • sin(at))7R₂² - (H - e • sin(ot))²dt.   (13)

R 2          ²                      2                           J

На основании проведенного анализа разработана конструктивно-технологическая схема смесителя-гранулятора (рис. 4) [2–4] .

Рис. 4. Схема смесителя-гранулятора: 1 – дозаторы; 2 – ворошители; 3 – шнековый смеситель;

4 – гранулятор; 5 – лоток

Смеситель-гранулятор обеспечивает получение гранул различного диаметра в зависимости от их назначения. Полученный в таком смесителе-грануляторе продукт направляется на сушку, а затем по назначению. Принцип его действия заключается в следующем.

Предварительно полученный соевый белковый продукт загружается в бункер-дозатор 1. В этот же бункер-дозатор загружается мел или скорлупа яиц в порошковой форме, согласно применяемому рациону для птицы. В дозе, определенной рационом, компоненты подаются в шнековый смеситель кормов 3. При этом шнек 3 сконструирован таким образом, что при транспортировке указанных выше компонентов он обеспечивает их смешивание путем периодического встряхивания компонентов, один из которых имеет консистенцию, близкую к творожной массе.

Далее смесь направляется в прессующий узел гранулятора 4, откуда в виде влажных гранул попадает на лоток 5. После этого лоток с влажными гранулами устанавливается в сушильный шкаф «Универсал» с девятью режимами сушки.

Производительность гранулирующего узла данного технического средства определили из условия

Qсм ≤ QГ=(D² Г - d²Г) ∙SГ ∙ ωГ∙ρГ∙δГ/8,

где D ,d – соответственно внешний диаметр винта и вала, м; SГ – шаг винта гранулятора, м; ω – угловая скорость вращения винта гранулятора, с^-1; ρ – плотность гранул, кг/м³; δ – коэффициент заполнения винта гранулятора.

С учетом формулы (11), при ωt = π/2, получили выражение для определения плотности влажных гранул

8vp[(arccos ——e)R₂’ + (H - e)R₂²- (H - e)² ]

_______________R 2                  ²   ______________

(D²- d²) • S • ю_г • д_г

Мощность, затрачиваемая на привод смесителя-гранулятора, равна

NсмГ = (Nсм + Nг + Nхх УПр •Пдв,                     (16)

где N_см – мощность, затрачиваемая на процессы смешивания и транспортировки белковой массы, кВт; N_Г – мощность, затрачиваемая на процесс гранулирования (уплотнения) массы, кВт; N_хх– мощность холостого хода, кВт; Птр, Пдв — КПД трансмиссии и электродвигателя при нормальной нагрузке.

В результате обработки априорной информации и проведения поисковых исследований выделены значимые факторы, оказывающие наибольшее влияние на исследуемый процесс: длина кривошипа – e, мм; шаг винта шнека – t, мм; угловая скорость вращения шнека – ω, с-1.

Обозначения и уровни варьирования факторов приведены в таблице 1.

Факторы и уровни их варьирования

Таблица 1

Уровень факторов	Факторы
	Длина кривошипа	Шаг винта шнека	Угловая скорость вращения шнека
	Х1/l, мм	Х2/t, мм	Х3/w, с-1
Верхний	7,5	25	15
Основной	5	20	10
Нижний	2,5	15	5
Интервал варьирования	2,5	5	5

После реализации эксперимента по матрице 3^х-уровневого плана и получения значений критериев оптимизации для откликов (θ – однородность смеси, % и Nэ – энергоемкость, кВт∙с/кг) проведена обработка полученных результатов и построены математические модели в виде уравнений регрессии:

для однородности смешивания

θ = -59,677+8,892e+8,869t+5,509ω-0,280et-0,240eω-0,180tω-0,124t2        max;         (17)

для энергоемкости

Nэ=38,705+1,054е+5,438t+0,888ω-0,123t²             min.                  (18)

Результаты регрессионного анализа

Таблица 2

Критерий	а0	а1	а2	а3	а12	а13	а23	а22	Заключение об адекватности
									FR	FT
Y1/θ	91,472	2,231	3,451	3,548	–3,500	–3,000	–4,500	–3,112	5,2864	3,79
Y2/Nэ	112,130	2,636	2,442	4,442	–	–	–	–3,094	8,2636	5,96

Анализ частных коэффициентов корреляции показал, что на процесс получения гранулированной смеси наибольшее влияние оказывают длина кривошипа e (фактор Х1) и шаг винта шнека t (фактор Х2).

Адекватность моделей подтверждается с вероятностью Р=0,95 при коэффициентах корреляции R1=0,92 и R2=0,93 неравенством FR>FT = 5,28>3,79 и 8,26>5,96 (табл. 2).

Проведенный анализ и решение полученных уравнений регрессии позволили определить оптимальные значения параметров, которые равны: длина кривошипа – 2,5 мм; шаг винта шнека – 24,15 мм; угловая скорость вращения шнека – 13,8 с-1.

При указанных выше значениях параметров однородность смешивания равна 95,0 %, а энергоемкость – Nэ=39,3 кВт^.с/кг.

В ходе эксперимента установлена зависимость прочности гранул Пр от времени их сушки t. Данная зависимость, после соответствующей математической обработки, аппроксимирована уравнением следующего вида:

Пр=96,07-147,79.e-0,114t.                                           (19)

Учитывая тот факт, что прочность гранул – это параметр, который задается технологическими требованиями, необходимо пользоваться выражением, с помощью которого можно определить время сушки [5]

t=43,9-8,8ln(96,07-Пр).                                        (20)

Производственные испытания проводились в кормоприготовительном цехе ЗАО «Никольская птицефабрика» Амурской области. Кормосмесь готовилась по рецепту ПК-5-1-89, в котором соевый и подсолнеч-никовый шрот, рыбная и мясокостная мука заменялись соевой белковой массой.

Соевая белковая масса, получаемая на оборудовании цеха, соответствовала требованиям ТУ 929110001-22192276-96 “Белок соевый“, гигиенический сертификат №103 от 05.07.96.

Технологический процесс производства данного кормового продукта осуществлялся по следующей схеме: замачивание семян сои → измельчение → экстракция белка → нагрев суспензии →коагуляция → отжим → дозирование белковой массы и мела (скорлупы яиц) → смешивание → гранулирование → суш-ка→ хранение → реализация.

На рисунке 5 представлена конструктивно-технологическая схема линии получения гранулята [6].

Вода Замоченные семена сои

I I

Семена сои Вода

£

Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема линии приготовления белково-минерального гранулята для птицы: 1– ванна; 2 – измельчитель-экстрактор; 3 – котлы; 4 – насос; 5 – пресс;

6 – смеситель-гранулятор; 7 – сушильный шкаф; БП – белковый продукт

мелилискорлупа яиц

БП

Коагулянт (аскорбиновая кислота, янтарная ______кислота и т .д)

Выводы. В результате анализа установлено, что наиболее рациональным и перспективным направлением в разработке шнековых смесителей для получения белково-минеральных композиций является создание смесителей-грануляторов со смещенной осью вращения шнекового рабочего органа.

Теоретические исследования рабочего процесса смесителя-гранулятора со шнеком, имеющим смещенную ось вращения, позволили обосновать конструктивно-режимные параметры смесителя-гранулятора и получить аналитическое выражение для расчета плотности влажных гранул на стадии проектирования указанных технических средств.

В результате экспериментальных исследований получены математические модели процесса смешивания белково-минеральных компонентов рациона птицы, на основании которых обоснованы оптимальные параметры смесителя-гранулятора.

Экспериментальным путем установлена зависимость прочности белково-минеральных гранул от времени их сушки, с учетом начальной и конечной плотности.

В результате сравнительной технико-экономической оценки разработанного смесителя-гранулятора установлено, что он имеет на 25 % меньшую металлоемкость, на 92–144 % меньшую энергоемкость в сравнении с оборудованием ОГМ-0,8. Годовой экономический эффект по приведенным затратам равен 866886,6 руб. для птицефермы на 10666 бройлеров. При этом верхняя лимитная цена комплекта оборудования разработанной линии составляет 464895,2 рублей.